唐 順,王海星,譚秋林*,宋瑞佳,伍國(guó)柱,熊繼軍(1.電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

?

基于LTCC的無(wú)線無(wú)源雙參數(shù)傳感器*

唐 順1,2,王海星1,2,譚秋林1,2*,宋瑞佳1,2,伍國(guó)柱1,2,熊繼軍1,2
(1.電子測(cè)試技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

設(shè)計(jì)了一個(gè)基于低溫共燒陶瓷(LTCC)技術(shù)的無(wú)線無(wú)源雙參數(shù)傳感器,傳感器基于LC(inductor-Capacitor)諧振原理,詢問(wèn)天線通過(guò)無(wú)線遙測(cè)的方式獲取傳感器的壓力和溫度信號(hào)。在傳感器基板上集成了兩個(gè)LC諧振回路,諧振回路中兩個(gè)電容分別對(duì)壓力和溫度參數(shù)敏感,同時(shí)兩電感采用特殊結(jié)構(gòu)來(lái)減少雙參數(shù)在測(cè)試時(shí)的互感串?dāng)_。搭建了溫度-壓力復(fù)合測(cè)試平臺(tái),對(duì)傳感器進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。傳感器最高測(cè)試溫度為300 ℃,溫度靈敏度為-14.27 kHz/℃,壓力靈敏-13.75 kHz/kPa,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,這種設(shè)計(jì)能明顯減少兩參數(shù)之間的互感影響。

無(wú)線無(wú)源;雙參數(shù);LC傳感器;LTCC;互感串?dāng)_

在許多特殊環(huán)境中傳統(tǒng)有線測(cè)量方式無(wú)法滿足測(cè)試要求,如高溫惡劣環(huán)境、輪胎和密封包裝等密閉環(huán)境。而很多情況下需要獲得這些環(huán)境下的溫度、壓力、加速度等參數(shù)來(lái)確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1-2]。無(wú)線無(wú)源LC傳感器能通過(guò)無(wú)線耦合的方式獲得傳感器信息,減少了高溫部分傳感器與電路之間的連接,增加了傳感器的穩(wěn)定性,使得惡劣環(huán)境下的壓力、溫度等參數(shù)的測(cè)量成為可能[3-4]。同時(shí),LC以無(wú)線的方式進(jìn)行測(cè)量,避免了破壞產(chǎn)品的密閉性[5]。國(guó)內(nèi)外針對(duì)無(wú)線無(wú)源LC傳感器已經(jīng)做了大量研究。Georgia Tech 的 Allen MG團(tuán)隊(duì)最早提出基于LTCC“三明治”結(jié)構(gòu)的無(wú)線無(wú)源傳感器[6],傳感器最高工作溫度為450 ℃。Uppsala大學(xué)的Sturesson P等人利用HTCC技術(shù)制作的LC壓力傳感器實(shí)現(xiàn)了1 000 ℃下的壓力測(cè)試[7]。國(guó)內(nèi)的中北大學(xué)在高溫壓力傳感器方面做了大量研究工作,已經(jīng)完成850 ℃高溫下的壓力測(cè)試[8]。但是無(wú)線無(wú)源LC傳感器信號(hào)受溫度影響,在測(cè)試中需要額外的溫度測(cè)量設(shè)備進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

由于電磁場(chǎng)固有的特點(diǎn),LC多參數(shù)傳感器在測(cè)量時(shí)存在互感影響,影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于LTCC的雙參數(shù)無(wú)線無(wú)源傳感器,傳感器上兩電感采用特殊結(jié)構(gòu),有效減小兩電感之間的互感,從而使溫度和壓力參數(shù)獨(dú)立測(cè)量。

1 傳感器原理

本文設(shè)計(jì)的傳感器基于LC諧振原理,其結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)化成兩個(gè)LC環(huán)路,每個(gè)諧振回路的諧振頻率可以用公式[9-10]計(jì)算:

(1)

式中:L和C分別是諧振電路的電感和電容。本文設(shè)計(jì)的傳感器信號(hào)讀取集總電路模型如圖1所示。

圖1 傳感器信號(hào)讀取的集總電路模型

圖1中,Ra和La為讀取天線的寄生電阻和電感。R1、L1、C1分別為溫度諧振回路的寄生電阻、電感和敏感電容;R2、L2、C2分別為壓力諧振回路的寄生電阻、電感和敏感電容。M1和M2為天線和兩個(gè)電感之間的互感;M12為溫度和壓力諧振回路之間的互感。因?yàn)榛撞牧系慕殡姵?shù)對(duì)溫度敏感,兩個(gè)電容都會(huì)隨溫度變化而改變,所以壓力參數(shù)測(cè)量時(shí)需要對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償。電容C2的兩極板之間集成了一個(gè)密閉的空腔,當(dāng)外界壓力條件變化時(shí)會(huì)發(fā)生形變,最終表現(xiàn)為傳感器壓力敏感諧振頻率隨著外界氣壓變化而變化。網(wǎng)絡(luò)分析儀向天線發(fā)送一定頻率范圍的掃頻信號(hào),天線周圍產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng),天線與傳感器內(nèi)兩個(gè)諧振回路產(chǎn)生互感,通過(guò)檢測(cè)天線端阻抗參數(shù)的變化,就能實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)參數(shù)的無(wú)線讀取[11-12]。天線端阻抗表達(dá)式可以表示成:

(2)

2 電感設(shè)計(jì)

多參數(shù)LC傳感器測(cè)量時(shí)存在串?dāng)_現(xiàn)象,一個(gè)參數(shù)的諧振頻率會(huì)隨其他參數(shù)諧振頻率變化而改變。減小電感的大小或者減少電感之間的正對(duì)面積就能有效減小因互感串?dāng)_帶來(lái)的測(cè)量誤差。為了減小兩個(gè)電感之間的互感,傳感器電感采用了如圖2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),同時(shí)為了減小傳感器尺寸,兩個(gè)電感同軸正對(duì)放置[13]。

圖2 電感結(jié)構(gòu)

如圖2所示,電感相鄰兩根導(dǎo)線反向纏繞,外圈電感大部分被內(nèi)圈抵消,最終電感會(huì)變得很小,使得兩電感之間的互感變得十分微弱。兩電感之間的互感M為[13]:

(3)

式中:u0為真空磁導(dǎo)率,N是電感圈數(shù),L為電感值,k為兩個(gè)電感的距離與線距之比,當(dāng)k非常大時(shí)M的值接近零。傳感器電感具體參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器電感

3 傳感器制作

傳感器由傳統(tǒng)的LTCC工藝制作而成,基底材料選用的是杜邦951低溫共燒陶瓷,制作電路的材料為銀漿料。先將LTCC生瓷帶切片及打孔,并在空腔位置放置與空腔同等大小的碳膜,防止層壓時(shí)空腔塌陷。利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)在生瓷帶的相應(yīng)位置印制電路形狀。將帶有電路形狀的生瓷帶進(jìn)行疊片層壓,然后按照一定的升溫曲線進(jìn)行燒結(jié),峰值溫度為850 ℃。在燒結(jié)過(guò)程中,碳膜被氧化成CO2并且通過(guò)排氣孔排出。燒結(jié)結(jié)束后,用直徑約0.5 mm玻璃微珠對(duì)傳感器空腔進(jìn)行密封。LTCC生瓷片燒結(jié)時(shí)在X-Y方向有大約87%收縮率,最終的傳感器尺寸約為29.2 mm×29.2 mm。傳感器截面圖如圖3所示。

圖3 傳感器的橫截面示意圖

圖4 傳感器實(shí)物圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

傳感器信號(hào)用安捷倫E5061B網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量通過(guò)讀取天線的阻抗信息獲得,測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)示意圖

圖6 室溫下傳感器信號(hào)隨壓力變化曲線

傳感器與天線同時(shí)放置在壓力可控的加熱爐內(nèi),天線與傳感器的距離為10 mm,中間由隔熱材料隔開。傳感器周圍溫度由MCU精確控制,在進(jìn)行壓力測(cè)試時(shí)傳感器溫度保持恒定。室溫下測(cè)得傳感器信號(hào)如圖6所示。

為了防止儀器設(shè)備在高溫下氧化,實(shí)驗(yàn)前對(duì)其進(jìn)行了抽真空工作。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)傳感器施加70 kPa到220 kPa的氣壓,外界壓力使空腔變形,導(dǎo)致電容極板間距減小,電容值增大,傳感器壓力敏感諧振頻率減小。同時(shí)電容增加使傳感器品質(zhì)因數(shù)降低,信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨著壓力增加略有減小。

傳感器的最高測(cè)試溫度為300 ℃,提取不同溫度下壓力敏感諧振頻率變化曲線如圖7所示,不同壓力下溫度敏感諧振頻率變化曲線如圖8所示。

圖7 傳感器壓力測(cè)試曲線

圖8 溫度敏感諧振頻率隨壓力變化曲線

壓力和溫度敏感電容都會(huì)隨溫度升高而增大,所以傳感器的兩個(gè)諧振頻率會(huì)隨溫度的升高而變小。從測(cè)試結(jié)果可以得出,傳感器壓力敏感諧振頻率隨外界壓力近似線性變化,壓力靈敏度為-13.75 kHz/kPa。傳感器溫度靈敏度為-14.27 kHz/℃,靈敏度隨溫度升高而略有增加。傳感器壓力信號(hào)近似擬合公式為:

f=a+bT+cP

(4)

式中:T為溫度,單位攝氏度。P為壓力,單位kPa。a、b、c為曲線擬合系數(shù),其值分別為85 361.97、-8.86、-14.27。在溫度保持不變,只有壓力變化的情況下,溫度敏感諧振頻率基本保持恒定。測(cè)試過(guò)程中溫度敏感諧振頻率最大的漂移為31.25 kHz,相當(dāng)于引起2.2 ℃的溫度誤差,這說(shuō)明溫度敏感諧振頻率受壓力變化影響非常小。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于LTCC的無(wú)線無(wú)源雙參數(shù)傳感器,能同時(shí)測(cè)試環(huán)境的壓力和溫度參數(shù)。溫度參數(shù)對(duì)壓力參數(shù)提供補(bǔ)償,無(wú)需額外溫度測(cè)試設(shè)備。傳感器溫度工作為室溫到300 ℃,壓力工作范圍為0到220 kPa。傳感器壓力和溫度的敏感諧振頻率隨各自的敏感參數(shù)近似線性變化。特殊的電感結(jié)構(gòu)有效減小兩個(gè)電感之間的互感,使得溫度和壓力參數(shù)之間幾乎沒(méi)有串?dāng)_影響。

[1] 魏坦勇,沈丹丹,譚秋林,等. LC 諧振式高溫壓力傳感器高溫下信號(hào)衰減的研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2015,28(2):165-169.

[2] 張曉莉,陳水金. 耐高溫壓力傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J]. 傳感器與微系統(tǒng),2011,30(2):1-4.

[3] Radosavljevic G J,Zivanov L D,Smetana W,et al. A Wireless Embedded Resonant Pressure Sensor Fabricated in the Standard LTCC Technology[J]. IEEE Sensors Journal,2009,9(12):1956-1962.

[4] 任重,譚秋林,李晨,等. 基于高溫?zé)Y(jié)氧化鋁陶瓷的無(wú)線無(wú)源溫度傳感器[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2014,27(5):654-657.

[5] Tan E L,Ng W N,Shao R,et al. A Wireless,Passive Sensor for Quantifying Packaged Food Quality[J]. Sensors,2007,7(9):1747-1756.

[6] 羅濤,譚秋林,魏坦勇,等. 無(wú)源LC傳感器研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)綜述[J]. 傳感器與微系統(tǒng),2014,33(9):11-14.

[7] Sturesson P,Khaji Z,Knaust S,et al. Thermomechanical Properties and Performance of Ceramic Resonators for Wireless Pressure Reading at High Temperatures[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering,2015,25(9):095016.

[8] Li C,Tan Q,Xiong J,et al. A Noncontact Wireless Passive Radio Frequency(RF)Resonant Pressure Sensor with Optimized Design for Applications in High-Temperature Environments[J]. Measurement Science and Technology,2014,25(7):075101.

[9] Xiong J,Li Y,Hong Y,et al. Wireless LTCC-Based Capacitive Pressure Sensor for Harsh Environment[J]. Sensors and Actuators A:Physical,2013,197:30-37.

[10] Tan Q,Kang H,Xiong J,et al. A Wireless Passive Pressure Microsensor Fabricated in HTCC MEMS Technology for Harsh Environments[J]. Sensors,2013,13(8):9896-9908.

[11] Chen P J,Saati S,Varma R,et al. Wireless Intraocular Pressure Sensing Using Microfabricated Minimally Invasive Flexible-Coiled LC Sensor Implant[J]. Journal of Microelectromechanical Systems,2010,19(4):721-734.

[12] 葛冰兒,梁庭,洪應(yīng)平,等. 基于LC諧振傳感器的互感耦合系統(tǒng)阻抗特性[J]. 微納電子技術(shù),2013,50(6):361.

[13] Dong L,Wang L F,Huang Q A. Implementation of Multiparameter Monitoring by an LC-Type Passive Wireless Sensor Through Specific Winding Stacked Inductors[J]. IEEE Internet of Things Journal,2015,2(2):168-174.

唐 順(1990-),男,山東人,中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院,研究方向?yàn)闊o(wú)線無(wú)源傳感器,swayts@163.com;

譚秋林(1979-),男,湖南衡南人,教授,博士研究生導(dǎo)師,中國(guó)微米納米技術(shù)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員,國(guó)際重要學(xué)術(shù)期刊Sensors and Actuators B,Optics Communications,Sensors 的通訊審稿人。主要研究方向?yàn)槲⒓{氣體傳感器及系統(tǒng)、無(wú)源高溫傳感器及系統(tǒng)、柔性生物MEMS傳感器及系統(tǒng),tanqiulin@nuc.edu.cn。

A Wireless Passive Bi-Parameters Sensor Based on LTCC Technology*

TANG Shun1,2,WANG Haixing1,2,TAN Qiulin1,2*,SONG Ruijia1,2,WU Guozhu1,2,XIONG Jijun1,2
(1.Key Laboratory of Science and Technology on Electronic Test and Measurement,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

A wireless passive bi-parameter sensor based on low temperature co-fired ceramic(LTCC)technology is designed. Two LC(inductor-capacitor)resonant circuits are integrated on the sensor substrate,which are based on the LC resonant theory. The two capacitances are sensitive to the pressure and temperature parameters respectively. The two inductors are arranged in a coaxial arrangement with a special winding method to reduce the mutual inductance between them. A compound test platform of temperature and pressure is set up to do the related tests of the sensor. The maximum test temperature is 300 ℃. The temperature sensitivity of the sensor is -14.27 kHz/℃,and the pressure sensitivity is -13.75 kHz/kPa. The results show that this design can significantly reduce the mutual interference between the two parameters.

wireless passive;bi-parameter;LC sensor;LTCC;lumped circuit;mutual interference

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61471324,51425505);山西省青年拔尖人才支持計(jì)劃項(xiàng)目

2016-10-10 修改日期:2016-12-12

TP212

A

1004-1699(2017)04-0592-04

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.04.019